生物进化学原始细胞

生命是如何形成的？这是人类最富有挑战性的思考之一。

历史上曾经出现过“自生论”，认为生命是从非生命物质中直接而快速产生出来的。如汗水产生虱子，潮湿的土壤产生青蛙。有人甚至发明了一个创造老鼠的方法：将麦子与汗湿的衬衣一同放进一个容器中，发酵21天，就会有老鼠被创造出来。17世纪，意大利医生雷第用实验的方法证明了“腐肉生蛆”的错误。但之后，显微镜的使用发现了微生物，使“自生论”起死回生。干净的肉汤里面出现的微生物，难道不是自己直接而快速地产生出来的吗？但巴斯德（1822—1895年）很快就用鹅颈瓶实验证明：煮沸的肉汤可以长久保存，只要它不与外界的空气或灰尘相接触。现在普遍认为，生命的起源是一个化学的过程。

200亿年以前，没有时间、空间；150亿年前，宇宙大爆炸；45亿年前，太阳系形成，地球形成；35亿年前，有生命的化石记录。这样看来，地球上生命的起源，应该在45～35亿年前之间。虽然人类无法回到过去进行实地调查，但可以通过一些具体的实验和客观现象来推测曾经发生的事实。

1953年，美国芝加哥大学的研究生米勒（S.Miller）进行了一次著名的试验。他设计了一套简单的装置，在烧瓶中放入甲烷、氨和氢等，并给予放电。他如期收获到了他希望的结果——有机物。1969年9月，一块陨石落在澳大利亚麦启逊。人们从碎片成分分析中，也找到了氨基酸、嘧啶、脂酸等。这说明，从无机小分子“自然地”生成有机小分子是完全可能的。设想原始的地球，应该富有甲烷、氨、硫化氢、氰化氢、水蒸气等小分子无机物，通过闪电、紫外线、光和热的作用，完全有可能合成一些氨基酸、核苷酸、单糖、脂类等。

有了有机小分子物质，生物大分子的出现也就有了可能。美国福克斯（F.Fox）试验证实：将氨基酸混合物倾倒在160～200℃的热砂或黏土上，随着水分的蒸发，氨基酸可以浓缩并化合生成类蛋白质分子。后来有人将氢氰酸和氨加热，也得到了类似于肽的化合物；而将单核苷酸加热，则得到了多聚磷脂酸和多核苷酸。可以想象，在原始海洋的岸边、岩石、黏土的表层或像湖泊样的小水体中，会有氨基酸、核苷酸等有机小分子沉积，吸收能量，通过聚合方式生成原始的蛋白质、核酸等生物大分子。

生物大分子主要是蛋白质溶液和核酸溶液，合在一起时，可形成团聚体小滴，这就是多分子体系，具有一定的生命现象。人们将白明胶（蛋白质）和阿拉伯胶（多糖）混合在一起的时候，就能够得到团聚体小滴。这种多分子体系有这样的特点：直径为1～500μm；能够稳定存在几小时至几周；外周增厚，呈膜状结构，与周围水液有明显界限；具有原始的代谢特征；可以增长和繁殖。福克斯通过将类蛋白进行加热，得到了一种微球体多分子体系。它具有这样的特征：直径为1～2μm（相当于细菌大小）；可吸纳周围环境的脂类，并形成膜状结构；膜表现选择透性，反映渗透压的变化；能够吸纳周围环境中蛋白质分子，因而可增长和“繁殖”。

一旦多分子体系具有了脂双层膜围成的与周围环境隔开的含水囊泡，囊泡内有多种核酸、蛋白质、糖类大分子，其就能选择性地从周围环境中吸纳“食物”，能够利用“食物”的分解，复制自身一部分起核心作用的大分子，当囊泡因大分子增多而能够“生长”和“繁殖”，则可以认为，原始生命已经诞生。原始祖细胞类似于今天小的支原体。支原体没有细胞壁，其外围是细胞膜，细胞质中只有核糖体，只含DNA、RNA和多种蛋白质。它除了可以在细胞中寄生外，也能在无细胞系统的培养基中生长、繁殖。体积相当于病毒大小，为细菌的1／1000，直径约为0.1μm。

多分子体系和原始生命的生长、繁殖，是非常容易被理解的。当外界物质不断进入到体系内部的时候，这个体系自然就会出现增大、生长的现象。当这个体系表面的张力无法维持越来越大的体积的时候，自然就产生分裂，表现为“繁殖”。生命在它起源的时候，就注定了死亡与新生的共存。当一个旧的体系或个体分裂成新的体系或个体的时候，旧的死去、新的诞生。

自养生命的出现，与卟啉有关。卟啉是一类由四个吡咯类亚基互连而形成的大分子杂环化合物。卟啉环有26个π电子，是一个高度共轭的体系，并因此显深色。许多卟啉以与金属离子配合的形式存在，如与镁配位的叶绿素和与铁配位的血红素。叶绿素上面的共轭结构能够吸收光子，并将光能转变为电子能。高能电子在传递过程中，将能量释放出来，催动一系列化学反应，这就是光合作用。有了光合作用，大气中就有了氧，地球就不复是还原性环境；有了光合作用，大气中就有了臭氧层，地球就能够受到必要的保护。而有氧呼吸生物的产生，是生命演化的一大飞跃。有氧呼吸不仅极大地提高了生物从食物中获取能量的效率，也给生命世界带来了大繁荣。多细胞生物包括植物和动物，都开始出现，并踏上漫长的演化征途。

在生命的起源之中，真核细胞的起源是一个有趣的问题。渐进说认为，原始的厌氧原核细胞，通过细胞膜的多重内褶，形成核膜、内质网和其他的细胞器，进而发展成为真核细胞。1970年，Lynn Margulis出版了《真核细胞的起源》一书，提出了内共生学说。他认为，原始的厌氧原核细胞吞噬了一些需氧菌，并与之形成了共生关系，被吞噬的需氧菌逐渐演变为细胞器，细菌演变为线粒体，蓝藻演变为叶绿体，如此等等。

在生命的起源之中，单细胞到多细胞的演变又是一个有趣的问题。我们无法进行单细胞生成多细胞的实验，但可以找到两者之间的过渡类型。一个典型的例子就是团藻（绿藻的一种）。这种生物类型可以是单细胞的，叫作衣藻。许多衣藻（约500～50000）可以集合在一起，联合成结构上疏松的群体。群体细胞在生理上开始有分工，但彼此分开，仍然可以独立生活。在动物界，有人发现，将原始的多细胞海绵动物振荡，能够将其体细胞分开。而静置一段时间，这些分开的细胞又能够重新复原，组装成生物个体。多细胞生物与单细胞生物相比较，最显著的特征就是细胞之间有了明确的分工，并形成组织、器官，乃至系统。

人类探究生命起源的努力，一刻也没有停止过。在关注人类生存的地球的同时，也不遗余力地将目标对准浩瀚的太空。有关天外胚种的论调，不时能够看到。事实上，从星际分子的发现、陨石成分的分析来看，地球以外确实存在着有机物，当然也就有存在生命的可能。不过这不能证明地球上的生命就是来自天外的。但无论生命是来自天外，还是来自地球本身，生命总是从无生命的物质经过化学演化而来的。